Energia di ionizzazione
Avanti in ordine di importanza per determinare il numero e il tipo di legami chimici che un atomo può formare è l’energia di ionizzazione dell’elemento. È l’energia minima necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo dell’elemento. L’energia è necessaria perché tutti gli elettroni di un atomo sono attratti dalla carica positiva del nucleo, e il lavoro deve essere fatto per trascinare l’elettrone fuori l’atomo per produrre un catione. La formazione di legami chimici deriva dal trasferimento o dalla condivisione di elettroni, e quindi l’energia necessaria per rimuovere un elettrone è un criterio cruciale nella capacità di un atomo di formare un legame.
In termini generali, la variazione delle energie di ionizzazione in tutta la tavola periodica rispecchia la variazione dei raggi atomici, con piccoli atomi che hanno tipicamente alte energie di ionizzazione e grandi atomi che di solito ne hanno di piccoli. Quindi, gli elementi con le energie di ionizzazione più basse (e quindi da cui un elettrone è più facilmente rimosso) si trovano in basso a sinistra della tavola periodica, vicino al cesio e al francio, e gli elementi con le più alte energie di ionizzazione si trovano in alto a destra della tavola, vicino al fluoro e all’elio. La variazione dell’energia di ionizzazione è correlata con la variazione del raggio atomico perché un elettrone di valenza in un atomo ingombrante è in media lontano dal nucleo e quindi sperimenta solo una debole attrazione per esso. D’altra parte, un elettrone di valenza in un piccolo atomo è vicino al suo nucleo genitore ed è soggetto a una forte forza attraente.
A questo punto si può in parte spiegare la relativa inerzia dei gas nobili. Si trovano a destra nella tavola periodica e i membri della famiglia più vicini all’elio (cioè al neon e all’argon) hanno energie di ionizzazione che sono tra le più alte di tutti gli elementi. Pertanto, i loro elettroni non sono facilmente disponibili per la formazione di legami. Solo più in basso nel gruppo, a krypton e xenon, le energie di ionizzazione diventano paragonabili a quelle di altri elementi, e questi elementi possono essere persuasi in formazione di composti da reagenti sufficientemente aggressivi (in particolare dal fluoro).
Una caratteristica importante dell’energia di ionizzazione è che l’energia necessaria per rimuovere un secondo elettrone da un atomo è sempre superiore all’energia necessaria per rimuovere il primo elettrone. Una volta che un elettrone è stato rimosso, ci sono meno elettroni per respingere l’un l’altro nel catione, quindi più lavoro deve essere fatto per trascinare l’elettrone successivo lontano dal nucleo. Lo stesso vale per il terzo elettrone, che è ancora meno disponibile del secondo elettrone. Tuttavia, un punto importante è che, se un elettrone deve essere rimosso dal nucleo dell’atomo (come nel caso di un secondo elettrone rimosso dal sodio), allora l’energia di ionizzazione può essere estremamente elevata e non raggiungibile nel corso di una reazione chimica tipica (come sarà giustificato di seguito). La ragione per le alte energie di ionizzazione degli elettroni del nucleo è in gran parte che questi elettroni si trovano molto più vicini al nucleo rispetto agli elettroni di valenza, e quindi sono afferrati da esso molto più fortemente.
È una regola generale che per gli elementi a sinistra nella tavola periodica, che hanno uno, due o tre elettroni nei loro gusci di valenza, è possibile ottenere energia sufficiente nelle reazioni chimiche per la loro rimozione, ma non è disponibile energia sufficiente per rimuovere gli elettroni dai gusci interni. Quindi, il sodio può formare ioni Na+, il magnesio può formare ioni Mg2 + e l’alluminio può formare ioni Al3+.
Una ragione per l’importanza delle configurazioni di gas nobili nella formazione di legami chimici diventa ora evidente. Una volta ottenuto un gas nobile, la configurazione a guscio chiuso, la pronta rimozione di elettroni per formare cationi cessa (così come l’opportunità per la rimozione parziale di elettroni per la condivisione richiesta nella formazione di legami covalenti, come discusso di seguito). Una grande barriera di energia si incontra quando si va oltre la rimozione degli elettroni di valenza di un atomo.
Le energie di ionizzazione non si correlano esattamente con i raggi atomici, perché ci sono altre influenze oltre la distanza dell’elettrone dal nucleo che determinano l’energia necessaria per rimuovere un elettrone. Queste influenze includono i dettagli dell’occupazione degli orbitali nel guscio di valenza. Ancora una volta, appare evidente l’origine di un’ulteriore possibilità di concorrenza, in questo caso tra gli effetti derivanti dalla sola dimensione e quelli determinati dal fabbisogno energetico per la ionizzazione.